(57)【要約】  基板上に形成された第１配線層と、前記第１配線層を覆うように形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に形成され、中央部分と、前記中央部分の幅よりも広い幅を持つ対の端部分と、前記端部分と前記中央部分との接続部分をなす遷移部分と、を有する磁気コアと、前記磁気コアを覆うように前記第１絶縁層上に形成された第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に形成された第２配線層と、を少なくとも備え、前記第１配線層と前記第２配線層とが電気的に接続されることにより、前記対の端部分に巻き回される第１のソレノイドコイルと、前記中央部分に巻き回される第２のソレノイドコイルを構成し、前記中央部分が、その両端から中央に向かって徐々に幅が狭くなっていることを特徴とするフラックスゲートセンサ。
2011155526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１配線層と、
前記第１配線層を覆うように形成された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に形成され、中央部分と、前記中央部分の幅よりも広い幅を持つ対の端部分と、前記端部分と前記中央部分との接続部分をなす遷移部分と、を有する磁気コアと、
前記磁気コアを覆うように前記第１絶縁層上に形成された第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に形成された第２配線層と、を少なくとも備え、
前記第１配線層と前記第２配線層とが電気的に接続されることにより、前記対の端部分に巻き回される第１のソレノイドコイルと、前記中央部分に巻き回される第２のソレノイドコイルを構成し、
前記中央部分が、その両端から中央に向かって徐々に幅が狭くなっていることを特徴とするフラックスゲートセンサ。
【請求項２】
前記中央部分は、内側に括れた略Ｒ形状をしていることを特徴とする請求項１に記載のフラックスゲートセンサ。
【請求項３】
前記中央部分の曲率半径が、前記中央部分の長さの５倍以上１０倍以下であることを特徴とする請求項２に記載のフラックスゲートセンサ。
【請求項４】
前記遷移部分の前記中央部分への接続部分近傍を、前記Ｒ形状に繋がる曲線としたことを特徴とする請求項２又は３に記載のフラックスゲートセンサ。
【請求項５】
前記遷移部分の前記端部分への接続部分近傍を、前記端部分の直線側面に繋がる曲線としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のフラックスゲートセンサ。
【請求項６】
基板と、請求項１に記載のフラックスゲートセンサを少なくとも１つ含む３つのフラックスゲートセンサと、
を備える電子方位計であって、
前記３つのフラックスゲートセンサは、各フラックスゲートセンサの感磁方向が互いに交わるように前記基板上に配置されていることを特徴とする電子方位計。
【請求項７】
前記各フラックスゲートセンサの感磁方向は、互いに直交することを特徴とする、請求項６に記載の電子方位計。
【請求項８】
基板と、請求項１に記載のフラックスゲートセンサと、前記フラックスゲートセンサが検知した磁界を電流値に変換するための信号処理ＩＣと、を備える電流計。
【請求項９】
前記フラックスゲートセンサは、前記フラックスゲートセンサの感磁方向が磁界の方向と平行となるように前記基板上に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載の電流計。
【請求項１０】
導線と、２つの、請求項９に記載の電流計を備え、
前記２つの電流計は、前記導線からの距離が同一であり、また、前記導線を挟んで対称な位置に配置されていることを特徴とする、計測系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計に関する。特に、励磁効率が高く、かつ磁界依存性の低いフラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計に関する。
本願は、２０１０年６月９日に、日本に出願された特願２０１０−１３２４４７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話や、ポータブルナビゲーションデバイス、ゲームコントローラ等に用いられている電子方位計としては、センサの感磁方向が互いに交わるように配置される３つの磁気センサを組み合わせた電子方位計が用いられている。また、電線ケーブルなどの導体に流れる電流を測定する電流計としては、電流が発生させる磁界を磁気センサによって検知し電流値に換算する電流計が用いられている。【０００３】
その磁気センサとしては、従来、ホール効果を利用したものや、磁気抵抗効果（ＭＲ：Magneto Resistive effect）または巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistive effect）を利用したものがある。これらは、薄膜プロセスで作製されるため、小型化や集積化が可能であり、携帯機器などに広く用いられている。しかしながら、これらのセンサは、小型化した場合に感度が低くなり、電子方位計で検出されるべき０．３Ｏｅ程度の地磁気レベルを高精度に検出することが難しい。したがって、これらのセンサを用いた電子方位計では、その方位精度は１０度程度が限界であった。また、電流計として用いる場合においても、小型化した場合に感度が低くなり、電流値を高精度に測定することが困難であった。【０００４】
一方、近年、アモルファスワイヤを用いた磁気インピーダンス（ＭＩ：Magneto-Impedance）センサ（以下、ＭＩセンサと称す）や直交フラックスゲートセンサによる電子方位計が提案されており、方位精度が２．５度程度と高精度なものが実現されている。また、薄膜プロセスにて作製された小型のフラックスゲートセンサを用いた電子方位計が、例えば特許文献１乃至４により開示されている。また、ＭＩセンサを用いた電流センサ（電流計）が、例えば特許文献５により開示されている。【０００５】
ところで、特に磁気検出の精度を高めるためには、センサの感度により決められる検出分解能とリニアリティ誤差が重要な要素となる。ＭＩセンサや直交フラックスゲートセンサと、薄膜プロセスにて作製された小型のフラックスゲートセンサとでは、分解能が同程度である。ＭＩセンサや直交フラックスゲートセンサの場合、磁気コアのヒステリシスに起因して出力電圧にもそのヒステリシスの影響が表れてしまう。そのため、リニアリティ誤差が悪化する可能性があった。また、リニアリティを改善するために負帰還回路を用いる方法もあるが、消費電力が大きくなり、回路が複雑になる。【０００６】
一方、フラックスゲートセンサにおいては、例えば非特許文献１に開示されているphase-delay methodを用いることにより、磁気コアのヒステリシスの影響を受けずに良好なリニアリティを有する磁気センサを実現することができる。この方法によると、センサの出力はタイムドメインに基づいて行われ、センサを構成する磁気コアの保磁力に起因するヒステリシスの影響を取り除くことができるうえに、カウンタを用いたデジタル検出が可能であるため、アナログ／デジタル変換時の誤差の影響を取り除くことができ、リニアリティの良好なセンサを構成することができる。例えば非特許文献２によれば、この方法を用いることにより、０．０６％ＦＳのリニアリティを実現している。アモルファスワイヤを用いたＭＩセンサでは、リニアリティ誤差は１〜２％程度であるため、このようにリニアリティの良好なフラックスゲートセンサを用いることで、より方位精度の高い電子方位計やより測定精度の高い電流計を実現することが可能となる。【０００７】
上述した通り、分解能が高く、リニアリティの良好な、phase-delay methodを用いたフラックスゲートセンサにより、より方位精度の高い電子方位計やより測定精度の高い電流計を構成することができる。
しかしながら、かかるフラックスゲートセンサは、励磁コイルおよび検出コイルを磁性体コアの周囲に巻き回す必要がある。したがって、バイアスコイルもしくはピックアップコイルのみを巻き回す構造のＭＩセンサや直交フラックスゲートセンサと比較して小型化が難しい。【０００８】
また、小型集積化を実現するために、前述のように薄膜プロセスでフラックスゲートセンサを作製する試みもなされているが、小型化することにより反磁界が大きくなり、感度が低下してしまう。特に、３つの互いに直交する方向に感度を有する電子方位計を実現しようとした場合、電子方位計を構成する基板に対して垂直方向に感磁方向を設定する必要がある。そのため、電子方位計を構成する基板にセンサ素子を垂直に立てた状態で実装する必要がある。
そのため、電子方位計を薄型化するにあたり、基板に垂直に立てるセンサ素子は、その感磁方向の長さを短くする必要がある。例えば電子方位計の厚さを１ｍｍ以下とする場合においては、基板やモールド樹脂の厚さを考慮すると、センサの感磁方向長さを０．５〜０．７ｍｍ程度にする必要がある。しかし、軟磁性体コアの長さが１ｍｍ以下となると、反磁界が大きくなり、感度が著しく低下する。【０００９】
例えば特許文献１や特許文献４においては、磁気コアの外側部分の幅を広くしたＨ型形状の磁気コアを用いている。この構成では、励磁コイルと検出コイルは磁気コア中心部の細い部分にのみ巻き回されている。そのため、センサ素子のサイズを小さくすると、励磁コイルおよび検出コイルともに巻き数が限られてしまい、十分な巻き数を確保するのが難しい。また、励磁コイルと検出コイルとが交互に巻き回された構造である。そのため、コイルの巻き数は、素子サイズとコイルピッチにより決まってしまい、検出コイルとピックアップコイルのそれぞれの巻き数を独立に設定することが難しく、設計の自由度が低い。【００１０】
本出願人は、磁気コアの両端部の幅広い領域と中央部の幅細い領域において、それぞれ別個のコイルを巻き回すことにより、小型化しても高い励磁効率を確保することができるフラックスゲートセンサを検討している。しかしながら、磁性体コアにおいて寸法変化が急峻な部位を有する場合、該部位において磁束が局所的に飽和することから、磁気コア内部での磁束密度が不均一となり、特定の外部磁界や励磁状態に対して検出特性が著しく悪化することがある。このことを示す具体的データを以下に示す。【００１１】
図１３は、従来における磁気コアの形状の一例を示す図である。この従来の磁気コアは、中央の幅の狭い領域（中央部分）の幅が一様であり、側面が直線状である。更に、中央の幅の狭い領域と両端の幅の広い領域（端部分）の接続部分（遷移部分）が、直線のテーパ形状をしている。【００１２】
図１４は、図１３に示す形状の磁気コアに対して、１２Ｏｅの外部磁界を印加した場合の、その外部磁界に対する磁気コア内部の磁束密度を有限要素法により計算した結果を示す図である。なお、図１４の横軸は、図１３に示した磁気コアの長手方向の全長に渡るそれぞれの位置に対応している。【００１３】
このように、従来の磁気コアでは、磁気コアの幅が変化する領域において直線的にその幅が変化している場合、幅の狭い領域（中央部分）の両端において局所的に磁束が飽和しやすく、一方、その中央部において磁束が未飽和となる。【００１４】
また、フラックスゲートセンサにおいては、励磁コイルにより正負交互に飽和状態となるように励磁を行う必要がある。特に中央の幅の狭い領域の入り口付近において局所的に磁束が飽和してしまう場合には、飽和領域を避けるように磁束が流れるため、磁気コア外部に磁束が流出し、中央の幅の狭い領域全体にわたって励磁することができなくなる。【００１５】
図１５は、従来のフラックスゲートセンサにおけるピックアップ電圧の磁界依存性を示す図である。図１６は、各磁界でのフラックスゲートセンサの出力である正負のピックアップ電圧のピーク値をプロットした図である。なお、図１６においては、ピックアップ電圧の正および負のそれぞれについて、磁界を「負→正→負」というように変化させている。【００１６】
図１５は横軸が時間軸であり、正側のスパイク状パルスと負側の該パルスの時間差が磁界の強さを表している。０Ｏｅおよび８Ｏｅの場合は検出できるが、１６Ｏｅの場合は、負側で閾値電圧を超えないため、検出不能という結果となっている。【００１７】
また、図１６は、図１５とは別のケースであるが、横軸を磁界として表したものである。略１２Ｏｅを超えると正側で閾値を下回るようになり、また、略−１２Ｏｅを下回ると負側で閾値を超えないようになる。結局、１２Ｏｅ以上と−１２Ｏｅ以下で、検出不能という結果となっている。【００１８】
このように、図１３に示した磁気コアを用いてフラックスゲートセンサを構成した場合、励磁効率が低下することに加え、図１５および図１６に示すように、フラックスゲートセンサの出力波形の磁界依存性が大きくなる。これにより、閾値電圧を超える間の時間間隔を計測する場合、外部磁界の印加によりピックアップ電圧が小さくなり、検出できないことがある。言い換えれば、かかるフラックスゲートセンサでは、限られた外部磁界の範囲でしか、時間間隔計測の機能を発揮し得ない（磁界の測定レンジが狭い）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００７−２７９０２９号公報
【特許文献２】特開２００６−２３４６１５号公報
【特許文献３】特開２００４−１８４０９８号公報
【特許文献４】国際公開２００７／１２６１６４号パンフレット
【特許文献５】特開２００６−１７２５０４号公報
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Pavel Ripka, “Magnetic sensors and magnetometers” p.94, ARTECH HOUSE, INC (2001)
【非特許文献２】IEEE TRABSACTION ON INSTRUCTION AND MEASUREMENT, VOL.42, NO.2, p.635, APRIL 1993
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、励磁効率が高く、かつ磁界依存性の低いフラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計ならびに電流計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明のフラックスゲートセンサは、基板上に形成された第１配線層と、前記第１配線層を覆うように形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に形成され、中央部分と、前記中央部分の幅よりも広い幅を持つ対の端部分と、前記端部分と前記中央部分との接続部分をなす遷移部分と、を有する磁気コアと、前記磁気コアを覆うように前記第１絶縁層上に形成された第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に形成された第２配線層と、を少なくとも備え、前記第１配線層と前記第２配線層とが電気的に接続されることにより、前記対の端部分に巻き回される第１のソレノイドコイルと、前記中央部分に巻き回される第２のソレノイドコイルとを構成し、前記中央部分が、その両端から中央に向かって徐々に幅が狭くなっていてもよい。
前記中央部分は、内側に括れた略Ｒ形状をしていてもよい。
前記中央部分の曲率半径が、前記中央部分の長さの５倍以上１０倍以下であってもよい。
前記遷移部分の前記中央部分への接続部分近傍を、前記Ｒ形状に繋がる曲線としてもよい。
前記遷移部分の前記端部分への接続部分近傍を、前記端部分の直線側面に繋がる曲線としてもよい。
本発明の電子方位計は、基板と、上述のフラックスゲートセンサを少なくとも１つ含む３つのフラックスゲートセンサと、を備える電子方位計であって、前記３つのフラックスゲートセンサは、各フラックスゲートセンサの感磁方向が互いに交わるように前記基板上に配置されていてもよい。
前記各フラックスゲートセンサの感磁方向は、互いに直交していてもよい。
本発明の電流計は、基板と、請求項１に記載のフラックスゲートセンサと、前記フラックスゲートセンサが検知した磁界を電流値に変換するための信号処理ＩＣと、を備えてもよい。
前記フラックスゲートセンサは、前記フラックスゲートセンサの感磁方向が磁界の方向と平行となるように前記基板上に配置されていてもよい。
本発明の計測系は、導線と２つの上述の電流計を備え、前記２つの電流計は、前記導線からの距離が同一であり、また、前記導線を挟んで対称な位置に配置されていてもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のフラックスゲートセンサによれば、励磁効率が高くなると共に、印加される外部磁界の大きさが変化してもピックアップ電圧の大きさのばらつきを小さくすることができる。すなわち、フラックスゲートセンサの出力波形の磁界依存性を小さくすることができる。
本発明のフラックスゲートセンサによれば、更に磁界依存性を抑制することができる。
本発明によれば、励磁効率が高く、磁界依存性に低い電子方位計を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るフラックスゲートセンサを概略的に示す上面図。
【図２】図１におけるラインａ−ａ’に沿って切った断面図。
【図３】第１実施形態のフラックスゲートセンサにおける磁気コアの形状を示す上面図。
【図４Ａ】図１におけるラインｂ−ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。
【図４Ｂ】図１におけるラインｂ−ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。
【図４Ｃ】図１におけるラインｂ−ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。
【図４Ｄ】図１におけるラインｂ−ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。
【図４Ｅ】図１におけるラインｂ−ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図。
【図５】第１実施形態に係るフラックスゲートセンサに対して、所定の外部磁界が印加された場合の、その外部磁界に対する磁気コア内部の磁束密度を有限要素法により計算した結果を示す図。
【図６】第２実施形態に係るフラックスゲートセンサに含まれる磁気コアの形状を示す上面図。
【図７】第２実施形態に係るフラックスゲートセンサに対して、所定の外部磁界が印加された場合の、その外部磁界に対する磁気コア内部の磁束密度を有限要素法により計算した結果を示す図。
【図８】第２実施形態に係るフラックスゲートセンサにおけるピックアップ電圧の磁界依存性を示す図。
【図９】第２実施形態において、各磁界でのフラックスゲートセンサの出力である正負のピックアップ電圧のピーク値をプロットした図。
【図１０Ａ】磁気コアの中央部分のＲ形状の曲率半径Ｒとその中央部分の長さＬとの比率（Ｒ／Ｌ）と、飽和領域となる磁界が印加されたときの磁束密度分布との関係を、各比率について示す図。
【図１０Ｂ】磁気コアの中央部分のＲ形状の曲率半径Ｒとその中央部分の長さＬとの比率（Ｒ／Ｌ）と、飽和領域となる磁界が印加されたときの磁束密度分布との関係を、各比率について示す図。
【図１０Ｃ】磁気コアの中央部分のＲ形状の曲率半径Ｒとその中央部分の長さＬとの比率（Ｒ／Ｌ）と、飽和領域となる磁界が印加されたときの磁束密度分布との関係を、各比率について示す図。
【図１０Ｄ】磁気コアの中央部分のＲ形状の曲率半径Ｒとその中央部分の長さＬとの比率（Ｒ／Ｌ）と、飽和領域となる磁界が印加されたときの磁束密度分布との関係を、各比率について示す図。
【図１０Ｅ】磁気コアの中央部分のＲ形状の曲率半径Ｒとその中央部分の長さＬとの比率（Ｒ／Ｌ）と、飽和領域となる磁界が印加されたときの磁束密度分布との関係を、各比率について示す図。
【図１０Ｆ】磁気コアの中央部分のＲ形状の曲率半径Ｒとその中央部分の長さＬとの比率（Ｒ／Ｌ）と、飽和領域となる磁界が印加されたときの磁束密度分布との関係を、各比率について示す図。
【図１１】図１０Ａ〜図１０Ｆの中央部分２に相当する各波形を拡大して重ねて示した図。
【図１２】本発明のピックアップコイルを利用した電子方位計の一例の概略斜視図。
【図１３】従来における磁気コアの形状の一例を示す図。
【図１４】図１３に示す形状の磁気コアに対して、所定の外部磁界を印加した場合の、その外部磁界に対する磁気コア内部の磁束密度を有限要素法により計算した結果を示す図。
【図１５】従来のフラックスゲートセンサにおけるピックアップ電圧の磁界依存性を示す図。
【図１６】各磁界における、従来のフラックスゲートセンサの出力である正負のピックアップ電圧のピーク値をプロットした図。
【図１７】本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の一使用例を示す概略斜視図。
【図１８】本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の構造を示す概略斜視図。
【図１９】本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の別の使用例を示す概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサを概略的に示す上面図である。図２は、図１におけるラインａ−ａ’に沿って切った断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける磁気コアの形状を示す上面図である。図４Ａ〜図４Ｅは、図１におけるラインｂ−ｂ’に沿って切った断面図で、フラックスゲートセンサの作成工程を示す図である。
【００２７】
本発明の第１の実施形態のフラックスゲートセンサは、図１および図２に示すように、磁気コア３と、第１配線層４と、第１絶縁層５と、第２絶縁層６と、第２配線層７と、開口部８と、基板１００とを含む。また、更に図３に示すように、磁気コア３は、端部分１と、中央部分２と、その端部分１と中央部分２との接続部分をなす遷移部分１３と、を含む。第１配線層４及び第２配線層７は、端部分１に巻き回された第１のソレノイドコイル９及び中央部分２に巻き回された第２のソレノイドコイル１０を構成している。
【００２８】
本発明の第１の実施形態において、端部分１に巻き回された第１のソレノイドコイル９は励磁コイルである。中央部分２に巻き回された第２のソレノイドコイル１０はピックアップコイルである。本発明の第１の実施形態において、端部分１は励磁部であり、中央部分２は検出部である。
【００２９】
図４Ａ〜図４Ｅを用いて、本発明の第１の実施形態のフラックスゲートセンサの作製工程について説明する。まず、図４Ａのように、非磁性の基板１００の上に、ソレノイドコイルの下側配線を形成するための第１配線層４が形成される。次に、図４Ｂのように、第１配線層４の上に、磁気コア３とソレノイドコイルを絶縁するための第１絶縁層５とが形成される。ここで、この第１絶縁層５においては、第１配線層４と、後に形成されるソレノイドコイルの上側配線となる第２配線層７とが接続される部分に、開口部８が設けられる。
【００３０】
次に、図４Ｃのように、第１絶縁層５の上には、軟磁性体膜からなる磁気コア３が形成される。
ここで、軟磁性体膜からなる磁気コア３の形状は、図３に示す通り、その中央部分２における幅が端部分１における幅よりも狭くなっている。さらに、その中央部分２の領域においても、両端から中心に向かって徐々に幅が狭くなっている。更に、その形状は、その中央部分２において内側に括れたＲ形状を有している。望ましくは、その曲率半径Ｒが、その中央部分２の長手方向の長さＬの５倍〜１０倍の範囲である。
なお、この第１の実施形態においては、磁気コア３の遷移部分１３は、従来と同様、直線状のテーパ形状としている。
【００３１】
次に、図４Ｄのように、磁気コア３の上には、第１配線層４と第２配線層７の接続部に開口部８を設けた第２絶縁層６が形成される。さらに、図４Ｅのように、第２絶縁層６の上に、第２配線層７が、第１配線層４の隣接する配線どうしをその端部にて接続するように形成され、それによりソレノイドコイルを形成している。配線は、隣接する配線と接続されるため、断面におけるソレノイドコイルのループは閉じない。
【００３２】
第１配線層４および第２配線層７により形成された第１のソレノイドコイル９及び第２のソレノイドコイル１０は、磁気コア３の両端の幅の広い端部分１と幅の狭い中央部分２において、それぞれ独立に巻き回されている。両端の幅の広い端部分１に巻き回されている第１のソレノイドコイル９は、１方の端の端部分１に巻き回されている第３のソレノイドコイルと、もう１方の端の端部分１に巻き回されている第４のソレノイドコイルとを含む。両端の端部における第３のソレノイドコイル及び第４のソレノイドコイルが直列に、かつ発生する磁界方向が同１となるように第１配線層４もしくは第２配線層７により接続されていて、それにより全体として第１のソレノイドコイル９を形成している。磁気コア３の中央部分２に巻き回された第２のソレノイドコイル１０の両端には、外部と接続するための電極パッド１１が形成されている。磁気コア３の両端の端部分１に巻き回された２つの直列に接続された第１のソレノイドコイル９の両端には、外部と接続するための電極パッド１２が形成されている。
【００３３】
磁気コア３の両端の端部分１にそれぞれ巻き回された第３のソレノイドコイル及び第４のソレノイドコイルは、巻き数が同じで対称であることが好ましい。
なお、図１は、模式的に示されており、第１のソレノイドコイル９及び第２のソレノイドコイル１０に関し、磁気コア３の下側配線の１部が省略されている。また、第１のソレノイドコイル９および第２のソレノイドコイル１０の形状は、図１で示された形状に限定されない。
【００３４】
図２は、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサを図１におけるラインａ−ａ’に沿って切った断面図の一例であり、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおける第１配線層４と第２配線層７の位置関係は、図２の形状に限定されない。
【００３５】
図４Ａ〜図４Ｅは、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサを図１におけるラインｂ−ｂ’に沿って切った断面図の一例であり、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの形状は、図４Ａ〜図４Ｅの形状に限定されない。
【００３６】
磁気コア３の両端の幅の広い端部分１は、その周囲に巻き回された第１のソレノイドコイル９に通電することにより励磁される。一方、磁気コア３の幅の狭い中央部分２には誘導電圧がかかり、その誘導電圧は中央部分２の周囲に巻き回された第２のソレノイドコイル１０により検出される。
【００３７】
外部より電極パッド１２を介して、時間的に変化する交流電流を、磁気コア３の端部分１の第１のソレノイドコイル（励磁コイル）９に対して通電することにより、磁気コア３が交流励磁される。端部分１において発生した磁束は、磁気コア３の中央部分２に導かれる。これにより磁気コア３の中央部分２も交流励磁されて、中央部分２の第２のソレノイドコイル（検出コイル）１０に略パルス状の誘導電圧が発生する。この誘導電圧は第２のソレノイドコイル１０および電極パッド１１を介して外部の検出回路で検出できる。ここで、第１のソレノイドコイル９に通電される交流電流は、一定周波数の三角波であることが望ましい。
【００３８】
このとき、外部磁界が印加されると、上述した略パルス状の誘導電圧の発生するタイミングは、時間的に変化する。三角波電流における正から負に切り替わるタイミングにおいて、正の誘導電圧が出力される。また、三角波電流における負から正に切り替わるタイミングにおいて、負の誘導電圧が出力される。従って、この正負のパルス状誘導電圧の発生するタイミングをカウンタで計測することにより、外部磁界に対する応答を得ることができる。
フラックスゲートセンサの構成としては、前述の構成に加えて、第２配線層７を覆う封止層が形成されていてもよい。
【００３９】
次に、本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサの作製方法について説明する。
まず、非磁性の基板１００上にチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）などのバリアメタルをスパッタ成膜した後に銅（Ｃｕ）をスパッタにより成膜する。次に、フォトリソグラフィにより第１配線層４となるレジストパターンを形成し、ウェットエッチングにより配線パターンを形成する。あるいは上記のスパッタ膜をシード膜として電解めっきにより第１配線層４を形成してもよい。このとき、後に形成される絶縁層上に磁気コア３を形成するため、第１配線層４の厚さは、その配線による絶縁層表面の凹凸が磁気コアの厚さに比べて十分小さくなるような厚さであって、かつコイルの抵抗が小さくなるような厚さであることが望ましい。具体的には、その厚さは、０．２μｍ〜２μｍ程度が好ましい。
【００４０】
次に、感光性樹脂を塗布し、露光、現像および熱硬化処理を行うことにより、第１絶縁層５を形成する。このとき、第１配線層４と後に形成される第２配線層７とが接続される部分が開口され、第１配線層４と後に形成される磁気コア３とが絶縁されるようにする。
このとき、第１絶縁層５の厚さは、第１配線層４の凹凸を緩和するだけの十分な厚さを有することが望ましい。具体的には、第１配線層４の厚さの３〜１０倍程度であることが望ましい。なお、図２においては、第１配線層４の図面上での表示の便宜上、そのような比率にはなっていない。
【００４１】
また、このとき、感光性樹脂は、後の工程での熱履歴による収縮や変形により磁気コア３に歪みが生じるのを防ぐ必要がある。そのため、感光性樹脂は、例えば実装時のはんだリフローや磁気コアに誘導磁気異方性を付与するための磁場中熱処理による熱収縮や変形が起こらないだけの十分な耐熱性を有する樹脂であることが望ましい。具体的には、感光性樹脂のガラス転移点（Ｔｇ：Glass Transition Temperature）は摂氏３００度以上であることが望ましい。すなわち、ここで用いられる感光性樹脂は、高い耐熱性を有するポリイミドやポリベンゾオキサゾール、熱硬化したノボラック系樹脂であることが望ましい。
【００４２】
次に、磁気コア３となる軟磁性体膜をスパッタにより成膜し、所望の形状になるように、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いてパターニングを行う。軟磁性体膜としては、ＣｏＮｂＺｒおよびＣｏＴａＺｒ等に代表される零磁歪のＣｏ系アモルファス膜や、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅ合金などが望ましい。これらの軟磁性体膜は難エッチング材料であるため、レジストを形成した後にスパッタ成膜を行い、レジストを除去することで所望のパターンを得るリフトオフ法により形成してもよい。また、磁気コア３となる磁性膜を成膜した後に、応力や成膜時に付与された不均一な１軸異方性を除去し、均一な誘導磁気異方性を付与するために、回転磁場中熱処理または静磁場中熱処理を行うことが望ましい。
また、レジストフレームを用いた電解めっき法を利用して、ＮｉＦｅ合金やＣｏＦｅ合金を所望の形状に成形することにより、磁気コア３を形成してもよい。
【００４３】
次に、第１配線層４と第２配線層７の接続部分が開口され、磁気コア３と第２配線層７とを電気的に絶縁するように、感光性樹脂に対して露光、現像および熱硬化処理を行うことにより、第２絶縁層６を形成する。
【００４４】
次に、第２絶縁層６と第２絶縁層６の開口部とを含む基板上にチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）などのバリアメタルをスパッタ成膜した後にＣｕをスパッタにより成膜することでシード膜を形成する。そして、レジストフレームを形成し、Ｃｕの電解めっきにより所望の配線パターンを形成し、上記シード層をエッチングすることにより第２配線層７を形成する。
【００４５】
最後に、必要に応じて外部に接続するための電極パッドおよび端子、保護膜を形成することで本発明の第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサが構成される。ここで、外部に接続する端子としては、はんだバンプおよび金バンプ、ならびにワイヤボンディング等の一般的な半導体デバイスや薄膜デバイスに用いられる手法を適用することができる。
【００４６】
また、ここでは第１および第２配線層１および５として、スパッタおよび電界めっきによる銅（Ｃｕ）を用いたが、無電解Ｃｕや電解Ａｕ（金）めっきなどにより形成してもよく、またスパッタ膜の銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）などによる良導電膜を用いてもよい。また、第１および第２絶縁樹脂層２および４は樹脂材料であるが、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの絶縁膜をスパッタやＣＶＤを用いて成膜し、開口部をドライエッチングにより形成することでも作製可能である。
【００４７】
図５は、上述のように作製されたフラックスゲートセンサについて、図１４と同様の１２Ｏｅの外部磁界が印加された場合、その外部磁界に対する磁気コア内部の磁束密度を有限要素法により計算した結果を示す図である。点線の従来の場合と比較すれば明確なように、局所的に飽和し易い部分は生じない。
【００４８】
以上から、局所的な飽和を回避して励磁効率を高めるためには、中央部分２に括れを持たせることが重要であることが分かる。但し、ここでは、曲率半径Ｒを有した曲線としたが、中央部に向けて徐々に幅が狭くなっていればよく、直線状であっても構わない。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施形態に係るフラックスゲートセンサについて説明する。第２の実施形態に係るフラックスゲートセンサは、第１の実施形態に係るフラックスゲートセンサとは磁気コアの形状のみ異なる。ここではその磁気コアの形状についてのみ説明し、共通部分の説明は省略する。
【００５０】
図６は、第２の実施形態に係るフラックスゲートセンサに含まれる磁気コアの形状を示す上面図である。
第１の実施形態に係る磁気コア３においては、遷移部分１３は、従来と同様、外径が直線のテーパ形状としたが、この第２の実施形態に係る磁気コア３Ａにおいては、遷移部分１３Ａは、外形を曲線状とした。具体的には、遷移部分１３Ａの中央部分２への接続部分近傍を、Ｒ形状に滑らかに繋がる曲線としている。また、遷移部分１３Ａの端部分１への接続部分近傍を、端部分１の直線側面に滑らかに繋がる曲線としている。
【００５１】
図７は、上述のような形状の磁気コアを有するフラックスゲートセンサについて、図１４および図５と同様の１２Ｏｅの外部磁界が印加された場合、その外部磁界に対する磁気コア内部の磁束密度を有限要素法により計算した結果を示す図である。図５の第１の実施形態と同様、点線の従来の場合と比較して、局所的に飽和し易い部分は生じない。
【００５２】
図８は、第２の実施形態に係るフラックスゲートセンサにおけるピックアップ電圧の磁界依存性を示す図である。
図１５の従来と比較すると、未飽和領域の減少により、１６Ｏｅでも正負両側で閾値を超え、検出可能という結果となっている。
【００５３】
また、図９は、第２の実施形態において、各磁界でのフラックスゲートセンサの出力である正負のピックアップ電圧のピーク値をプロットした図である。
図１６の従来と比較すると、未飽和領域の減少により、略−１２Ｏｅ以下と略１２Ｏｅ以上の場合でも、検出可能という結果となっている。
【００５４】
従って、図８および図９から、従来と比較して、ピックアップ電圧の磁界依存性が小さくなっていることが分かる。
【００５５】
図１０Ａ〜図１０Ｆは、磁気コアの中央部分２のＲ形状の曲率半径Ｒとその中央部分２の長さＬとの比率（Ｒ／Ｌ）と、飽和領域となる磁界が印加されたときの磁束密度分布との関係を、各比率について示す図である。また、図１１は、図１０Ａ〜図１０Ｆの、中央部分２に相当する各波形を拡大して重ねて示した図である。
【００５６】
図１０Ａ〜図１０Ｆおよび図１１に示す通り、Ｒ／Ｌが１０を超えると、Ｒ／Ｌ＝１５［図１０Ｂ］のように、局所的に磁束が飽和した領域がグラフ上に顕著に現れ、従来の直線の場合に近い状態となる。
一方、Ｒ／Ｌが５に満たない場合には、磁気コア中央部（グラフ横軸の１６５〜３１５μｍに対応）において、急激に磁束密度が低下した領域が観測される［図１０Ｆ］。すなわち、従来の中央部分２が直線の場合とは逆に、中央部分２における中央付近が飽和しやすくなり、中央部分２における端部が飽和しにくくなる。これにより、中央部分２において磁束密度の均一性が低下する。また、特に曲率半径が小さくなることにより、飽和する領域が狭くなることから、励磁効率が低下する。このことから、磁気コア３Ａの幅の狭い領域（中央部分）が均一に励磁されるためには（目安としては、中央部分２の全長の７０％以上の長さに渡って均一性があること）、磁気コア中央部の形状がＲ形状を有しており、その曲率半径Ｒと括れ部の長さＬの比率は、Ｒ／Ｌ＝５〜１０程度が好適と考えられる。
【００５７】
なお、第２の実施形態においては、遷移部分１３Ａの形状は、遷移部分１３Ａの中央部分２への接続部分近傍と、遷移部分１３Ａの端部分１への接続部分近傍との双方に滑らかな曲線部分をもうけている。遷移部分１３Ａの中央部分２への接続部分近傍の滑らかな曲線の方が、未飽和領域の抑制について効率的に寄与する。
【００５８】
また、上述の実施形態においては、外側の第１のソレノイドコイル９を励磁コイルとし、内側の第２のソレノイドコイル１０を検出コイルとしている。内側のコイルを励磁コイルとし、外側のコイルを検出コイルとした構成のピックアップコイルでも同様の結果が得られる。
【００５９】
次に、上述のピックアップコイルを利用した電子方位計の１実施形態を説明する。図１２は、その電子方位計の概略斜視図である。
図１２に示した電子方位計は、第１フラックスゲート（Ｘ軸）センサ２０、第２フラックスゲート（Ｙ軸）センサ３０、第３フラックスゲート（Ｚ軸）センサ４０、および信号処理用ＩＣ５０を、１つの基板上に配置することにより構成される。具体的には、第１フラックスゲートセンサ２０および第２フラックスゲートセンサ３０は、電子方位計を構成する基板面に対して、その形成された面が略平行となるように、かつ感磁方向が互いに直交するように配置される。また、第３フラックスゲートセンサ４０は、電子方位計を構成する基板面に対して略垂直となるように配置される。このとき、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０は、外部との接続端子を除いた領域、すなわち磁気コア３およびコイル９、１０を形成する部分の形状が同１であることが望ましい。これは、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０のそれぞれの特性を揃えることにより、各センサの特性のばらつきを補正する必要がなく、電子回路を簡略化できるようにするためである。また、第３フラックスゲートセンサ４０は、基板面に対して略垂直に実装されるので、電子方位計の厚さを薄くするためには、その感磁方向の長さが、１ｍｍ以下、さらに好ましくは０．５ｍｍ程度であることが望ましい。
【００６０】
信号処理用ＩＣ５０は、各フラックスゲートセンサにおける励磁コイル９に１定周波数の三角波電流を通電する回路と、検出コイル１０に現れる誘導電圧を検出するための検出回路と、誘導電圧が発生するタイミングを計数するためのカウンタと、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０のそれぞれに対して上記２つの回路との接続を切り替えるためのセレクタとを備えている。かかる構成により、第１フラックスゲートセンサ２０、第２フラックスゲートセンサ３０および第３フラックスゲートセンサ４０で３軸方向それぞれの磁界を順次計測し、演算を行うことで方位誤差の小さい電子方位計を実現することができる。
【００６１】
次に、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の一例を説明する。図１７は、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計９０の一例を示す概略斜視図である。図１８は、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計９０の構造を示す概略斜視図である。
【００６２】
電流計９０は、例えば、図１８に示すように、プリント基板６０上に、磁気センサ４１と、磁気センサ４１が検知した磁界を電流値に変換するための信号処理ＩＣ５０とを組み合わせたものである。この磁気センサ４１に、本発明のフラックスゲートセンサを採用し、電流計９０を構成する。
【００６３】
図１７に示すように、導体（導線）７０に電流Ｉが流れると、導体７０を中心として同心円状に磁界Ｈが発生する。Ｉを導体７０に流れる電流値、ｒを電流計９０と導体７０との距離とすると、磁界Ｈ＝Ｉ/（2πｒ）と表せる。この式に表されているように、導体（導線）７０に近いほど、磁界Ｈは強い（磁束密度が高い）。また、導体（導線）７０に流れる電流が大きいほど、大きい磁界Ｈが発生する。
【００６４】
例えば、図１７に示したように、直線状の導体（導線）７０に電流Ｉを流すと、導線７０に垂直な平面内において、導線７０を中心とする同心円状の磁界Ｈが発生する。図１７において矢印Ｉの方向に電流が流れた場合、磁界の向きは矢印Ｈの方向となる。電流計９０を、導線７０近傍に配置し、導線７０に流れる電流Ｉが発生させる磁界Ｈの大きさを検出することで、導線７０に流れる電流Ｉの大きさを測定することができる。導線７０に近いほど電流Ｉが発生させる磁界Ｈの磁束密度が高い。したがって、電流計９０を導線７０に近付けるほど、効率よく高感度に電流値を測定することができる。
【００６５】
また、電流計９０において、磁気センサ（フラックスゲートセンサ）４１の感磁方向Ｓが、電流Ｉが発生させる磁界Ｈの方向と平行となるように、磁気センサ（フラックスゲートセンサ）４１を配置すると良い。
【００６６】
次に、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の別の例を説明する。図１９は、本発明のフラックスゲートセンサを利用した電流計の別の例を示す概略斜視図である。
【００６７】
この例において、導線７０の近傍には、２つの電流計（第１の電流計９１および第２の電流計９２）が配置されている。第１の電流計９１および第２の電流計９２は、図１８で示した電流計９０と同様の構造を持つ。第１の電流計９１および第２の電流計９２には、演算回路８０が接続されている。第１の電流計９１および第２の電流計９２は、導線７０を流れる電流Ｉが発生させる磁界Ｈｉを検出する。具体的には、第１の電流計９１は磁界Ｈａを検出し、第２の電流計９２は磁界Ｈｂを検出し、演算回路８０に出力する。演算回路８０は、磁界Ｈａおよび磁界Ｈｂから磁界Ｈｉを算出し、磁界Ｈｉの強度から導線７０を流れる電流Ｉの大きさを出力する。
【００６８】
第１の電流計９１および第２の電流計９２において、各電流計が具備するフラックスゲートセンサ４１は、フラックスゲートセンサ４１の感磁方向Ｓと磁界Ｈの方向とが平行となるように、基板６０上に配置されている。また、第１の電流計９１と第２の電流計９２とは、導線７０からの距離が同一であり、また、導線７０を挟んで対称な位置に配置されている。
【００６９】
測定系が上述の構成を持つことにより、測定系に外部からノイズ磁界Ｈｅｘが加わったとしても、第１の電流計９１および第２の電流計９２からの出力を演算することで、外部ノイズ磁界Ｈｅｘを相殺し、導線７０に流れる電流Ｉを正確に求めることができる。
【００７０】
以下、詳細に説明する。導線７０に流れる電流Ｉが発生させる磁界Ｈｉを検出することで電流Ｉの電流値を測定する測定系において、この測定系に外部ノイズ磁界Ｈｅｘが加わった場合を考える。この時、第１の電流計９１が検出する磁界Ｈａは、Ｈａ＝Ｈｉ＋Ｈｅｘと表すことができる。第２の電流計９２が検出する磁界Ｈｂは、Ｈｂ＝−Ｈｉ＋Ｈｅｘと表すことができる。電流Ｉが発生させる磁界Ｈｉの方向は、第１の電流計９１の位置と第２の電流計９２の位置とで逆方向となる。
【００７１】
上記の２式より、Ｈｅｘ＝（Ｈａ＋Ｈｂ）／２、Ｈｉ＝（Ｈａ−Ｈｂ）／２となる。すなわち、外部磁界ノイズＨｅｘの大きさを明らかにし、外部磁界ノイズＨｅｘを除いたＨｉの大きさを検出することができる。したがって、外部ノイズ磁界Ｈｅｘが加わったとしても、導線７０に流れる電流Ｉの電流値を正確に測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、携帯電話、ポータブルナビゲーションデバイス、ゲームコントローラ等に使用されるフラックスゲートセンサおよびそれを利用した電子方位計に適用することができる。また、本発明は、電線の近傍に本発明のフラックスゲートセンサを配置し、電線を流れる電流の作る磁界を検出して電流値を測定する電流計に適用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１  磁気コアの端部分
２  磁気コアの中央部分
３  磁気コア
３Ａ  磁気コア
４  第１配線層
５  第１絶縁層
６  第２絶縁層
７  第２配線層
８  開口部
９  第１のソレノイドコイル
１０  第２のソレノイドコイル
１１  電極パッド
１２  電極パッド
１３  遷移部分
１３Ａ  遷移部分
２０  第１フラックスゲート（Ｘ軸）センサ
３０  第２フラックスゲート（Ｙ軸）センサ
４０  第３フラックスゲート（Ｚ軸）センサ
５０  信号処理用ＩＣ
１００  基板
【図１】
2011155526.tif 000003
【図２】
2011155526.tif 000004
【図３】
2011155526.tif 000005
【図４Ａ】
2011155526.tif 000006
【図４Ｂ】
2011155526.tif 000007
【図４Ｃ】
2011155526.tif 000008
【図４Ｄ】
2011155526.tif 000009
【図４Ｅ】
2011155526.tif 000010
【図５】
2011155526.tif 000011
【図６】
2011155526.tif 000012
【図７】
2011155526.tif 000013
【図８】
2011155526.tif 000014
【図９】
2011155526.tif 000015
【図１０Ａ】
2011155526.tif 000016
【図１０Ｂ】
2011155526.tif 000017
【図１０Ｃ】
2011155526.tif 000018
【図１０Ｄ】
2011155526.tif 000019
【図１０Ｅ】
2011155526.tif 000020
【図１０Ｆ】
2011155526.tif 000021
【図１１】
2011155526.tif 000022
【図１２】
2011155526.tif 000023
【図１３】
2011155526.tif 000024
【図１４】
2011155526.tif 000025
【図１５】
2011155526.tif 000026
【図１６】
2011155526.tif 000027
【図１７】
2011155526.tif 000028
【図１８】
2011155526.tif 000029
【図１９】
2011155526.tif 000030
【国際調査報告】
2011155526.tif 000031
2011155526.tif 000032
2011155526.tif 000033
2011155526.tif 000034